本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆中的惰性燃料基材領(lǐng)域，涉及氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材及一步法制備方法，適于pu和多種ma的同時(shí)嬗變處理。

背景技術(shù)：

1、隨著全球范圍內(nèi)商用核電站數(shù)量的不斷增加，加之核武器的退役，使得全球范圍內(nèi)具有放射性的钚(pu)和次錒系核素(ma)的儲(chǔ)量劇增，依靠傳統(tǒng)的深地質(zhì)處置法已難以從根本上解決它們的放射性危害及潛在威脅。為了削減并充分利用已累積的pu，可以將它們制成mox燃料(puo2和uo2的混合氧化燃料)在輕水反應(yīng)堆上進(jìn)行再次燃燒。然而，由于mox燃料中的238u俘獲中子后會(huì)形成新的pu和ma，不能從源頭上消除pu和ma。自上個(gè)世紀(jì)九十年代起，國(guó)際上已經(jīng)致力于在輕水堆、快中子堆以及加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ads)中使用惰性基材燃料(imf)替代mox，以解決pu和ma庫(kù)存多且難以在短時(shí)間內(nèi)被環(huán)境消化的問(wèn)題。這種不含238u的imf是將puo2彌散在惰性基材(im)中制成，能夠從源頭上消除pu和ma的產(chǎn)生。為了保障反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，im的選材條件極為苛刻：如1)較小的中子吸收截面；2)良好的輻照穩(wěn)定性；3)優(yōu)異的物理化學(xué)性能等。

2、“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷被認(rèn)為是最有前景的im候選材料之一。其中的mgo相和nd2zr2o7燒綠石相不僅在性能上互補(bǔ)性強(qiáng)，可以滿足反應(yīng)堆的性能要求；而且還可以充分利用nd2zr2o7燒綠石相的nd、zr晶格位固溶ma和pu，提高pu和ma的燃耗。因此，在“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷的基礎(chǔ)上，基于高熵理念，可以將復(fù)相陶瓷中nd2zr2o7燒綠石的化學(xué)組成設(shè)計(jì)成中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石，制備能夠同時(shí)嬗變處理pu和多種ma的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材，以實(shí)現(xiàn)pu和多種ma的高效嬗變處理。

3、本發(fā)明的目的是提供一種只含有mgo和中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石兩種結(jié)晶相，可用于反應(yīng)堆的惰性基材燃料中，能夠同時(shí)嬗變處理多種ma的致密的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的組成設(shè)計(jì)及一步法制備方法。已有的“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷在制備工藝上雖然已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的兩步法(先合成然后再?gòu)?fù)合燒結(jié))，即通過(guò)固相反應(yīng)一步法實(shí)現(xiàn)nd2zr2o7燒綠石的合成及其與mgo復(fù)合燒結(jié)制備“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷。然而，對(duì)于pu和ma的同時(shí)嬗變處理，“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷中的nd只代表一種ma模擬核素(通常用非放射性鑭系元素中的+3價(jià)nd模擬錒系中放射性的+3價(jià)am)。因此，為了能夠同時(shí)處理多種ma，近年來(lái)中/高熵陶瓷(相較而言具有高熵效應(yīng)和更加優(yōu)異的穩(wěn)定性)也逐漸開(kāi)始進(jìn)入核材料的研究領(lǐng)域，其中包括中/高熵(a1/n)2zr2o7鋯酸鹽燒綠石對(duì)多種模擬ma的同時(shí)固化處理研究。鑒于此，本發(fā)明針對(duì)已有“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷可以嬗變處理ma種類(lèi)較為單一的不足，在“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷和中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石的基礎(chǔ)上，提供了一種可同時(shí)嬗變處理pu和多種ma的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷的組成設(shè)計(jì)及一步法制備方法，而且制備的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷致密度高，其中(a1/n)2zr2o7燒綠石的組成以及兩種結(jié)晶相的質(zhì)量百分比可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行任意調(diào)控。本發(fā)明為核反應(yīng)堆中可同時(shí)嬗變處理pu和多種ma的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材提供了組成設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)便有效的一步法制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有的“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷可以嬗變處理ma種類(lèi)單一的不足，提供一種核反應(yīng)堆中可同時(shí)嬗變處理pu和多種ma的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的組成設(shè)計(jì)及一步法制備方法。

2、本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問(wèn)題和/或缺陷，并提供至少后面將說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)。

3、為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材，其特征在于，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的化學(xué)通式為：ωmgo-(1-ω)(a1/n)2zr2o7，其中，ω代表質(zhì)量百分比，取值范圍為30～80wt.％；n代表(a1/n)2zr2o7燒綠石中a晶格位的元素種類(lèi)數(shù)，n為整數(shù)且3≤n≤5；同時(shí)元素種類(lèi)在la、nd、sm、y、er中進(jìn)行選擇，且元素種類(lèi)以及復(fù)相陶瓷中兩種結(jié)晶相的質(zhì)量比可任意調(diào)控。

4、優(yōu)選的是，當(dāng)n為3時(shí)，(a1/n)2zr2o7為中熵?zé)G石，a＝la1/3nd1/3sm1/3，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的化學(xué)通式為：ωmgo-(1-ω)(la1/3nd1/3sm1/3)2zr2o7；

5、當(dāng)n為4時(shí)，(a1/n)2zr2o7為中熵?zé)G石，a＝la1/4nd1/4sm1/4y1/4，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的化學(xué)通式為：ωmgo-(1-ω)(la1/4nd1/4sm1/4y1/4)2zr2o7；

6、當(dāng)n為5時(shí)，(a1/n)2zr2o7為高熵?zé)G石，a＝la1/5nd1/5sm1/5y1/5er1/5，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的化學(xué)通式為：ωmgo-(1-ω)(la1/5nd1/5sm1/5y1/5er1/5)2zr2o7。

7、優(yōu)選的是，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的晶相組成為氧化鎂和中/高熵鋯酸鹽燒綠石兩種結(jié)晶相的復(fù)合相。

8、優(yōu)選的是，當(dāng)n為3時(shí)，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的晶相組成為氧化鎂和三組元中熵(la1/3nd1/3sm1/3)2zr2o7燒綠石兩種結(jié)晶相的復(fù)合相；

9、當(dāng)n為4時(shí)，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的晶相組成為氧化鎂和四組元中熵(la1/4nd1/4sm1/4y1/4)2zr2o7燒綠石兩種結(jié)晶相的復(fù)合相；

10、當(dāng)n為5時(shí)，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的晶相組成為氧化鎂和五組元高熵(la1/5nd1/5sm1/5y1/5er1/5)2zr2o7燒綠石兩種結(jié)晶相的復(fù)合相。

11、優(yōu)選的是，所述氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的相對(duì)密度達(dá)到93～99％。

12、本發(fā)明還提供一種如上所述的氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的制備方法，包括：將氧化鎂、氧化鋯和多種氧化物的原料混合，加入粘結(jié)劑，陳化，成型和排塑，然后直接采用固相反應(yīng)一步法燒結(jié)制備氧化鎂-中/高熵鋯酸鹽燒綠石復(fù)相陶瓷惰性燃料基材；其中多種氧化物為以下五種氧化物中的至少三種，五種氧化物為：氧化鑭、氧化釹、氧化釤、氧化鉺、氧化釔。

13、優(yōu)選的是，所述混合采用的方式為球磨混合，球磨混合使用行星式球磨機(jī)進(jìn)行濕法球磨，球磨時(shí)間為5～10h，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，球磨分散劑為酒精，其中，原料：氧化鋯球：酒精＝1:1～2:1～3。

14、優(yōu)選的是，所述粘結(jié)劑為濃度為4～10wt.％的pva溶液，其用量為混合原料總質(zhì)量的5～7wt.％。

15、優(yōu)選的是，所述成型為冷等靜壓成型，成型壓力為160～240mpa，成型時(shí)間為2～5min；所述排塑溫度為550～850℃，保溫時(shí)間0.5～2h。

16、優(yōu)選的是，所述固相反應(yīng)一步法燒結(jié)為馬弗爐高溫?zé)Y(jié)，升溫速度為3～6℃/min；燒結(jié)溫度為1400～1500℃，燒結(jié)時(shí)間為3～12h。

17、優(yōu)選的是，對(duì)氧化鋯進(jìn)行處理后使用：將質(zhì)量比為1:2～4:3～6的zro2、h2o和h2o2放入高溫高壓反應(yīng)釜，即超臨界反應(yīng)釜中，在超臨界狀態(tài)下(溫度為300～400℃，壓力為25～35mpa)進(jìn)行攪拌(轉(zhuǎn)速300～500r/min)處理5～20分鐘，抽濾、真空干燥得到預(yù)處理氧化鋯；

18、本發(fā)明至少包括以下有益效果：

19、(1)本發(fā)明制備的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材結(jié)合了氧化鎂和中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石的特點(diǎn)，一方面mgo具有高熱導(dǎo)性且易溶于酸，利于后處理，另一方面中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石具有優(yōu)異的抗輻照穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,可以有效改善高溫條件下mgo耐水腐蝕性差的問(wèn)題，同時(shí)，中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石的a晶格位可以同時(shí)固溶多種三價(jià)的ma，可用于反應(yīng)堆中“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石”復(fù)相陶瓷惰性基材燃料中同時(shí)嬗變處理pu和多種ma；

20、(2)本發(fā)明在“mgo-nd2zr2o7”復(fù)相陶瓷的制備工藝基礎(chǔ)上，又引入了多種稀土氧化物和過(guò)渡金屬氧化物y2o3，采用固相反應(yīng)一步法制備“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材，實(shí)現(xiàn)了中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石的合成及其和mgo的復(fù)合燒結(jié)一體化，提供了一種能夠同時(shí)嬗變處理多種ma、簡(jiǎn)便且高效節(jié)能的一步法制備方法。在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中稀土氧化物原料la2o3、nd2o3、sm2o3、er2o3以及過(guò)渡金屬氧化物y2o3與zro2反應(yīng)可分別生成三組元中熵(la1/3nd1/3sm1/3)2zr2o7燒綠石、四組元中熵(la1/4nd1/4sm1/4y1/4)2zr2o7燒綠石和五組元高熵(la1/5nd1/5sm1/5y1/5er1/5)2zr2o7燒綠石，而mgo不參與反應(yīng)生成新的物相，并直接和生成的中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石共同形成致密的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷，且制備的復(fù)相陶瓷具有致密度高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；

21、(4)本發(fā)明采用固相反應(yīng)一步法制備“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材，所用原料均為氧化物，原材料易得，制備工藝簡(jiǎn)單，有利于工程化應(yīng)用和推廣；

22、(5)本發(fā)明采用固相反應(yīng)一步法制備“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材，可根據(jù)具體情況任意調(diào)整中/高熵(a1/n)2zr2o7燒綠石中的元素種類(lèi)以及兩種結(jié)晶相的質(zhì)量百分比，對(duì)pu和多種ma元素的同時(shí)嬗變處理具有實(shí)用性；

23、綜上所述，本發(fā)明提出的“mgo-中/高熵(a1/n)2zr2o7”復(fù)相陶瓷惰性燃料基材的組成設(shè)計(jì)及一步法制備方法，具有組成設(shè)計(jì)靈活、制備工藝流程簡(jiǎn)捷、產(chǎn)品致密性高，適于同時(shí)嬗變處理pu和多種ma等優(yōu)點(diǎn)。

24、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過(guò)下面的說(shuō)明體現(xiàn)，部分還將通過(guò)對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。